Γενικές Μέθοδοι Παρασκευής και Χρήσεις Ετεροκυκλικών Ενώσεων
Η οργανική χημεία μελετά τον άνθρακα και τους δεσμούς του με πολλά άλλα στοιχεία όπως το υδρογόνο, το άζωτο, το οξυγόνο, τα αλογόνα κ.λπ. Η σημασία της οργανικής χημείας έγκειται σε πολλά φυσικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των σωμάτων και των φυτών μας, που έχουν οργανικές δομές. Άρα, η μελέτη του και του θέματος των οργανικών ενώσεων είναι καθοριστικής σημασίας. Ένας σημαντικός κλάδος της οργανικής χημείας είναι η ετεροκυκλική χημεία. Σε αυτό, μαθαίνουμε συστήματα κλειστού δακτυλίου, στα οποία ένα ή περισσότερα από ένα άτομα άνθρακα έχουν αντικατασταθεί από ανόργανα στοιχεία όπως οξυγόνο, θείο ή άζωτο.
Σημασία των Ετεροκυκλικών Ενώσεων
Δεν συνειδητοποιούμε την απαράμιλλη σημασία των ετεροκυκλικών ενώσεων στη ζωή μας. Το σώμα μας δεν μπορεί να λειτουργήσει χωρίς βιταμίνες, παραδείγματα φυσικών ετεροκυκλικών ενώσεων. Τα νουκλεϊκά οξέα είναι μια σημαντική κατηγορία ετεροκυκλικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές. Η χρήση αυτών των ενώσεων καθιστά τη σημασία της οργανικής χημείας ακόμη πιο σημαντική στην καθημερινή ζωή.
Είτε ισοστερικές είτε βιοϊσοστερικές υποδομές υποκατεστημένου άνθρακα σε αλειφατικές δομές είτε αληθινοί ετερόκυκλοι, τα ετεροάτομα είναι κοινά συστατικά πολλών δραστικών φαρμακευτικών συστατικών και εκδόχων. Πολλά ετεροκυκλικά ικριώματα έχουν τη δυνατότητα να κατηγοριοποιηθούν ως προνομιούχες κατασκευές. Οι ετερόκυκλοι αζώτου, οι πενταμελείς ή εξαμελείς δακτύλιοι με διάφορους συνδυασμούς θέσης ατόμων αζώτου, θείου και οξυγόνου, είναι οι πιο συνηθισμένοι. Σύμφωνα με δεδομένα, ένας ετερόκυκλος μπορεί να βρεθεί σε περισσότερο από το 85% όλων των φυσιολογικά ενεργών χημικών οντοτήτων.
Χρησιμοποιούνται για να αντιστέκονται στη διάβρωση σε απολυμαντικά και φυτοφάρμακα. Χρησιμοποιούνται επίσης στην οργανική σύνθεση. Μία κύρια εφαρμογή είναι στον φαρμακευτικό τομέα, όπου τα αντιβιοτικά παρασκευάζονται με χρήση ετεροκυκλικών ενώσεων. Μπορούν να παρέμβουν στη σύνθεση DNA των επιβλαβών βακτηρίων και έτσι να τα σκοτώσουν τελικά.
Τώρα που έχουμε μια σύντομη ιδέα για τη σημασία των ετεροκυκλικών οργανικών ενώσεων, ας προχωρήσουμε στον τρόπο παρασκευής τους.
Παρασκευή Ετεροκυκλικών Ενώσεων
Οι ετεροκυκλικές ενώσεις μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο τύπους με βάση τη δομή τους – αλειφατικές και αρωματικές. Διπλοί δεσμοί δεν υπάρχουν σε αλειφατικές ετεροκυκλικές ενώσεις, ενώ συζευγμένοι διπλοί δεσμοί υπάρχουν σε επίπεδες αρωματικές ετεροκυκλικές ενώσεις.
Παραδείγματα αλειφατικών ετεροκυκλικών ενώσεων:πυρρολιδίνη (πενταμελής δακτύλιος στον οποίο ένα άτομο άνθρακα έχει αντικατασταθεί από άζωτο), πιπεριδίνη (ένας εξαμελής κλειστός κύκλος στον οποίο ένα άτομο αζώτου έχει αντικαταστήσει ένα άτομο άνθρακα), 1,2-διοξάνιο (ένας εξαμελής κλειστός κορεσμένος δακτύλιος στον οποίο τα άτομα οξυγόνου έχουν αντικαταστήσει δύο γειτονικά άτομα άνθρακα), κ.λπ.
Παραδείγματα αρωματικών ετεροκυκλικών ενώσεων:φουράνιο (πενταμελής αρωματικός δακτύλιος με άτομο οξυγόνου), πυρρόλιο (πενταμελής αρωματικός δακτύλιος με άτομο αζώτου), θειοφαίνιο (πενταμελής αρωματικός δακτύλιος με άτομο θείου), πυριδίνη (εξαρωματικός δακτύλιος a με άτομο αζώτου) κλπ. Αυτές είναι οι πιο κοινές ετεροκυκλικές ενώσεις.
Το φουράνιο παρασκευάζεται από μια πεντόζη που πρώτα μετατρέπεται σε φουρφουράλη. Όταν μια ομάδα αλδεΰδης συνδέεται με τον άνθρακα δίπλα στο άτομο οξυγόνου στο φουράνιο, η ένωση ονομάζεται φουρφουράλη. Η φουρφουράλη συντέθηκε για πρώτη φορά το 1832 με αντίδραση αμύλου με θειικό οξύ. Η θέρμανση του με την παρουσία οξειδίου του χαλκού αποδίδει φουράνιο.
Έτσι, το φουράνιο μπορεί να παρασκευαστεί εύκολα από καλαμπόκι και πλήμνες βρώμης (φυσικά υλικά που περιέχουν πεντόζη).
Η πυρρόλη μπορεί να παρασκευαστεί με θέρμανση φουρανίου σε καταλύτη αμμωνίας και οξειδίου του αλουμινίου.
Το θειοφαίνιο μπορεί να παρασκευαστεί με την αντίδραση του 1,3-βουταδιενίου με το S8. Όταν θερμαίνονται μαζί στους 600oC, σχηματίζεται θειοφαίνιο.
Ιδιότητες ετεροκυκλικών ενώσεων
Οι ετεροκυκλικές ενώσεις είναι απαραίτητες όταν μιλάμε για τη σημασία της οργανικής χημείας. Έχουν ελαφρώς διαφορετικές ιδιότητες επειδή τα ετεροάτομα είναι διαφορετικά από άτομα άνθρακα σε μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων. Το σύστημα κυκλικού δακτυλίου έχει συζευγμένους διπλούς δεσμούς και το μοναδικό ζεύγος ηλεκτρονίων στο ετεροάτομο συμμετέχει στη σύζευξη μέσω συντονισμού.
Άζωτο, οξυγόνο και θείο - όλα έχουν μόνα ζεύγη. Οι δομές συντονισμού μπορούν να κατασκευαστούν, όπως φαίνεται παραπάνω. Ο δακτύλιος έχει ένα συνολικό αρνητικό φορτίο, λόγω του οποίου μπορεί να υποστεί αντιδράσεις ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης.
Υπάρχει μια γενιά του διπόλου στο δαχτυλίδι, καθιστώντας το πιο αντιδραστικό από το αντίστοιχο του βενζολίου.
Σημαντικές αντιδράσεις
Οι αντιδράσεις ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης είναι οι πιο σημαντικές αντιδράσεις αυτών των ενώσεων. Λόγω της ηλεκτραρνητικής φύσης τους, αντιδρούν με ηλεκτρόφιλα. Η αντικατάσταση συμβαίνει κυρίως στο άτομο άνθρακα δίπλα στο ετεροάτομο, δίνοντας περισσότερες δομές συντονισμού.
Περισσότερος είναι ο αριθμός των συντονιζόμενων δομών. Όσο υψηλότερη είναι η σταθερότητα της ένωσης.
Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η σειρά αντιδραστικότητας είναι:πυρρόλιο>> φουράνιο> θειοφαίνιο> βενζόλιο.
Η πυρρόλη έχει άζωτο το οποίο είναι λιγότερο ηλεκτραρνητικό λόγω του οποίου δωρίζει ηλεκτρόνια εύκολα. Το θειοφένιο έχει μια ισχυρή αρωματική σταθεροποίηση που γίνεται λιγότερο αντιδραστικό από το φουράνιο, παρόλο που το φουράνιο είναι πιο ηλεκτραρνητικό.
Συμπέρασμα
Δεν μπορούμε να αφήσουμε τις ετεροκυκλικές ενώσεις εκτός συζήτησης όταν μιλάμε για τη σημασία της οργανικής χημείας. Είναι η κατηγορία των οργανικών ενώσεων στην οποία ένα ή περισσότερα άτομα άνθρακα στον δακτύλιο έχουν/έχουν αντικατασταθεί από ανόργανα στοιχεία όπως θείο, άζωτο ή οξυγόνο. Το φουράνιο, η πυρρόλη και το θειοφαίνιο είναι κρίσιμα παραδείγματα τέτοιων ενώσεων και μπορούν να παρασκευαστούν εύκολα σε εργαστήριο. Αυτές οι ενώσεις εμφανίζουν ηλεκτρόφιλες αντιδράσεις υποκατάστασης επειδή οι δακτύλιοι είναι ηλεκτραρνητικοί και έχουν αρνητικό φορτίο συντονισμού.
